第一章_生物反应器

✓ 缺点：分别测出各类细胞量是有困难的。
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离散型结构模型
➢ 细胞培养的实际情况。细胞之间不均一， 细胞内部多组分。在求解和分析中最繁 杂，应用较少。
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非结构非离散模型
简称均衡生长模型。
这种模型没有考虑细胞内部的结构，又不考虑细 胞之间有任何差异。因此，可以把细胞用“浓度” 这一个量来描述，即把细胞看成一种“溶质”， 从而简化了胞内外的传递过程分析，也简化了过 程的数学描述。
二、细胞的浓度及其测量
三、均衡生长模型
四、其它模型
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一、细胞生长的特点
（一）细胞培养
1、细胞培养的一般条件
温度 pH 渗透压 营养物 水 无菌条件 光 气体
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2、动物细胞培养的特殊条件
(1)血清：动物细胞离体培养常常需要血清。最 常用的是小牛血清。血清提供生长必需因子，如激 素、微量元素、矿物质和脂肪。 (2)支持物：大多数动物细胞有贴壁生长的习惯。 离体培养常用玻璃，塑料等作为支持物。 (3)气体交换：二氧化碳和氧气的比例要在细胞 培养过程中不断进行调节，不断维持所需要的气体 条件。
1、流体的输送及混合。核心问题是流体之间动量 的传递、机械能的转化。
2、热量的传递。生物反应器要考虑发酵热的传 出以及发酵罐温度的控制。
3、物质的传递。生物反应器内进行着各种物质 传递过程，这些传递过程的强度主要由浓度差 以及扩散的面积决定。
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第二节 细胞生长及代谢过程动力学
一、细胞生长的特点、描述方法的分类
➢ 结构模型考虑了胞内各结构单元的代谢及相互作用，
因此列出的方程参数多、复杂，不容易解，即使用
计算机求解也要花费相当的时间，因此在过程控制
中较少用这种模型。
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离散型非结构模型
Байду номын сангаас
✓ 把细胞分为几种不同形态或功能的类别。 总的细胞量是各类细胞量的和，各类细 胞有不同的生理功能。
✓ 对于培养中细胞有明显差别（形态、功 能）的过程用此种离散模型最好。
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3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
第一章 生物反应器
Bioreactor
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第一节 概述
➢ 各种细胞及其代谢产物的生产过程都要通过细胞 的培养，而细胞培养所用的装置就是反应器。
➢ 生物反应器的作用：就是要为细胞代谢提供一个 优化的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生 长，得到更多的需要的生物量或代谢产物。
➢ 生物反应器：生物反应器是利用酶或生物体（如 微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反
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研究生物反应器的目的
1、确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应 器，什么样的结构更好。
2、对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的。
3、分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、 代谢等过程有更加深入的理解。
（生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一
个分支）
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化学工程还包括下面几个重要的内容
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4、微生物细胞培养的特殊条件
微生物多为单细胞生物，野生生存条件比较简单。 所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多。 其中厌氧微生物培养比好氧微生物复杂。
微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻， 玉米浆、蛋白胨、麦芽汁、酵母膏等成为良好的微 生物天然培养基。
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细胞群体进行简化假设
是否考虑细胞内部复杂的结构 是否考虑细胞之间的差别
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4种模型
非结构模型
非离散模型
（最理想情况）
把细胞群体处理 为一种溶质
均衡生长（假设）
结构模型
细胞之间无差异， 细胞内有多个组分 （结构）
“平均细胞”近似
不考虑细胞结 离散模型 构，但各种细
胞不均一
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
均衡生长（假设）
“平均细胞”近似
细胞之间不均一， 细胞内部多组分 （实际情况）
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非离散的结构模型
➢ 文献上简称结构模型。这种模型把细胞分为具有不 同生理功能的组分。
➢ 这种模型考虑到胞内不同的结构单元，对更精细地 分析细胞的代谢调控是很重要的，其分析结果对于 过程的优化往往具有指导作用。
实际反应装置常常介于两者之间。
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⑸细胞生长的特点及细胞群体的描述
➢ 细胞的生长、代谢是一个复杂的生物化学过程 ➢ 与一般的化学过程不同，这个反应体系的特点
是，它是一种多相、多组分、非线性的体系。 ➢ 细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命
活动，通常每毫升培养液中含104-108个细胞。 而且，像任何有生命的东西一样，细胞也经历 着新生、成长、成熟直至衰老的过程，在其生 命的循环中，也存在退化与变异的问题。
⑵得率系数：两种物质得失之间的计量比。如：菌体
的生成量对基质消耗量的得率系数。
⑶比速率：单位浓度的菌体、单位时间引起某物质浓
度的变化量。如：菌体的比生长速率、基质的比消耗 速率、产物的比生成速率。
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⑷理想流动和非理想流动
两种理想流动模式
①全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一。
②活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动， 完全没有反向混合。
应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵
罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。
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如何使细胞生长的更快更好？
一、好的细胞株系
二、良好的环境条件
1、良好的物理环境：最主要的有温度、pH、溶氧量、合 适的混合强度以保证细胞与营养物的接触及细胞的悬 浮等。
2、合适的化学环境：要求有合适的各种营养物的浓度， 并限制各种妨碍生长代谢的有毒物质的浓度。